目前“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题。请回答下列问题:
I.甲烷自热重整是一种先进的制氢方法,其反应方程式为:
CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)
(1)阅读下图,计算该反应的反应热ΔH = __________kJ/mol。
II.用CH4或其他有机物、O2为原料可设计成燃料电池。
(2)以CnH2nOn、O2为原料,H2SO4溶液为电解质设计成燃料电池,则负极的电极反应式为______________________________________________________________________。
(3)以CH4、O2为原料,100 mL 0.15 mol/L NaOH溶液为电解质设计成燃料电池,若放电时参与反应的氧气体积为448 mL(标准状况),产生的气体全部被溶液吸收,则所得溶液中溶质的成分及物质的量之比为____________________,各离子浓度由大到小的顺序为______________________________。
III.利用I2O5消除CO污染的反应为:5CO(g) + I2O5(s) 5CO2(g) + I2(s),不同温度下,向装有足量I2O5固体的2L恒容密闭容器中通入4 mol CO,测得CO2的体积分数随时间t变化曲线如图。请回答:
(4)T2时,0 ~ 0.5 min内的反应速率v(CO) = ____________________。
(5)T1时化学平衡常数K = ____________________。
(6)下列说法不正确的是___________(填字母序号)。
A.容器内气体密度不变,表明反应达到平衡状态 |
B.两种温度下,c点时体系中混合气体的压强相等 |
C.d点时,增大体系压强,CO的转化率不变 |
D.b点和d点时化学平衡常数的大小关系:Kb < Kd |
(14分)甲醇作为基本的有机化工产品和环保动力燃料具有广阔的应用前景,CO2加氢合成甲醇是合理利用CO2的有效途径。由CO2制备甲醇过程可能涉及反应如下:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g) +H2O(g) △H 1=-49.58kJ•mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2
反应Ⅲ:CO(g)+2 H2(g)CH3OH(g) △H 3=-90.77 kJ•mol-1
回答下列问题:
(1)反应Ⅱ的△H2= ,反应I自发进行条件是 (填“较低温”、“较高温”或“任何温度”)。
(2)在一定条件下3L恒容密闭容器中,充入一定量的H2和CO2仅发生反应Ⅰ,实验测得反应物在不同起始投入量下,反应体系中CO2的平衡转化率与温度的关系曲线,如图1所示。
①H2和CO2的起始的投入量以A和B两种方式投入
A:n(H2)=3mol,n(CO2)=1.5mol
B:n(H2)=3mol,n(CO2)=2mol,曲线I代表哪种投入方式 (用A、B表示)
②在温度为500K的条件下,按照A方式充入3mol H2和1.5mol CO2,该反应10min时达到平衡:
a.此温度下的平衡常数为 ;500K时,若在此容器中开始充入0.3molH2和0.9mol CO2、0.6molCH3OH、xmolH2O,若使反应在开始时正向进行,则x应满足的条件是
b.在此条件下,系统中CH3OH的浓度随反应时间的变化趋势如图2所示,当反应时间达到3min时,迅速将体系温度升至600K,请在图2中画出3~10min内容器中CH3OH浓度的变化趋势曲线。
(3)固体氧化物燃料电池是一种新型的燃料电池,它是以固体氧化锆、氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O 2-)在其间通过,该电池的工作原理如下图所示,其中多孔电极均不参与电极反应,下图是甲醇燃料电池的模型。
①出该燃料电池的负极反应式
②如果用该电池作为电解装置,当有16g甲醇发生反应时,则理论上提供的电量最多为 (法拉第常数为9.65×104C·mol-1)
氯气用途广泛,但在使用时,一般会产生氯化氢。工业上可用O2将HCl转化为Cl2,以提高效益,减少污染。反应为:
完成下列填空:
(1).该反应化学平衡常数K的表达式为 ;
实验测得P0压强下,HCl平衡转化率α(HCl)随反应温度T的变化如图所示,则正反应是 反应(填“吸热”或者“放热”)。
(2).上述实验中若压缩体积使压强由P0增大至P1,在图中画出P1压强下HCl平衡转化率α(HCl)随反应温度T变化的曲线,并简要说明理由: 。
(3).该反应在P0、320°C条件下进行,达平衡状态A时,测得容器内n(Cl2)=7.2×10–3mol,则此时容器中的n(HCl)= mol。
(4).对该反应达到平衡后,以下分析正确的是 (选填编号)。
a.增加n(HCl),对正反应的反应速率影响更大
b.体积不变加入稀有气体,对正反应的反应速率影响更大
c.压强不变加入稀有气体,对逆反应的反应速率影响更大
d.如果平衡常数K值增大,对逆反应的速率影响更大
(5).氯元素能形成多种离子。在水溶液中1molCl–、1mol ClOx–(x=1,2,3,4)能量的相对大小如图所示,写出B→A+C反应的热化学方程式(用离子符号表示) ;若有1.5molB发生反应,转移电子 mol。
(共16分)Ⅰ.CO和H2作为重要的燃料和化工原料,有着十分广泛的应用。
(1)已知:C(s)+O2(g)=CO2(g) △H1= -393.5 kJ·mol-1
C(s)+H2O(g)= CO(g)+H2(g) △H2= +131.3 kJ·mol-1
则反应CO(g)+H2(g)+O2(g)=H2O(g)+CO2(g)△H= kJ·mol-1。
(2)利用反应CO(g) +H2(g)+O2(g) = CO2(g) +H2O(g) 设计而成的MCFS燃料电池是用水煤气(CO和H2物质的量之比为1:1)作负极燃气,空气与CO2的混合气为正极助燃气,用一定比例的Li2CO3和Na2CO3低熔点混合物做电解质的一种新型电池。现以该燃料电池为电源,以石墨作电极电解饱和NaCl溶液,反应装置以及现象如图所示。则有:
①燃料电池即电源的N极的电极反应式为 _______________________ ;
②已知饱和食盐水的体积为1 L,一段时间后,测得左侧试管中气体体积为11.2 mL(标准状况),若电解前后溶液的体积变化忽略不计,而且电解后将溶液混合均匀,则此时溶液的pH为 。
Ⅱ.CO和NO是汽车尾气的主要污染物。消除汽车尾气的反应式之一为:
2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g)。请回答下列问题:
(3)一定温度下,在一体积为VL的密闭容器中充人一定量的NO和CO时,反应进行到t时刻时达到平衡状态,此时n(CO)=amol、n(N0)=2amol、n(N2)=bmol,且N2占平衡混合气体总体积的1/4。
①该反应的平衡常数K= (用只含a、V的式子表示)
②判断该反应达到平衡的标志是____(填序号)
A.v(CO2)生成=v(CO)消耗
B.混合气体的平均相对分子质量不再改变
C.混合气体的密度不再改变
D.NO、CO、N2、CO2的物质的量浓度均不再变化
(4)在一定温度下,将2.0molNO、2.4molCO通入固定容积2L的密闭中,反应过程中部分物质的物质的量变化如图所示,则:
①有害气体NO的转化率是 ,0~15minCO2的平均反应速率v(CO2)=____(保留小数点后三位)。
②20min时,若改变反应条件,导致CO浓度减小,则改变的条件是 。(填序号)。
A.增加CO的量 B.加入催化剂
C.减小CO2的量 D.扩大容器体积
氨气是重要化工产品之一。传统的工业合成氨技术的反应原理是:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ/mol。在500 ℃、20 MPa时,将N2、H2置于一固定容积的密闭容器中反应,反应过程中各种物质的量变化如图所示,回答下列问题:
(1)计算反应在第一次平衡时的平衡常数K= 。(保留二位小数)
(2)由第一次平衡到第二次平衡,平衡移动的方向是 ,采取的措施是 。
(3)45 min时刻改变的条件是 。
(4)产物NH3在5~10 min、25~30min和45~50 min时平均反应速率从大到小的排列次序为 (平均反应速率分别以v1、v2、v3表示)。
(5)随着条件的改变,达到三次平衡时H2的转化率也发生[了变化,如分别以α1、α2、α3表示,其中最小的是 。
(6)请在图中用实线表示25~45、45~60min 两阶段化学平衡常数K的变化图像。
(10分)在温度为373K时,将0.100mol无色的N2O4气体通入1L抽空的密闭容器中,立刻出现红棕色,直至建立N2O42NO2的平衡。下图是隔一定时间测定到的N2O4的浓度(纵坐标为N2O4的浓度,横坐标为时间)
(1)计算在20至40秒时间内,NO2的平均生成速率为 。
(2)该反应的化学平衡常数表达式为 。
(3)下表是不同温度下测定得到的该反应的化学平衡常数。
T/ K |
323 |
373 |
K值 |
0.022 |
0.36 |
据此可推测该反应(生成NO2)是 反应(选填“吸热”或“放热”)。
(4)若其他条件不变,反应在423K时达到平衡,请在上图中找出相应的位置,画出此温度下的反应进程示意曲线。
炼油厂常将裂解产生的其它烯烃加氢,对产物再次裂解以提高乙烯产量。相关加成反应如下:
①(g)+H2(g) CH3CH2CH2CH3(g) △H1
②(g)+H2(g) CH3CH2CH2CH3(g) △H2
(1)已知反应①、反应②平衡常数K1、K2如下,下列叙述正确的是____;
温度(℃) |
300 |
320 |
340 |
K1 |
4.8×10-4 |
2.5×10-4 |
1.3×10-4 |
K2 |
8.4×105 |
3.5×103 |
1.6×103 |
A.△H1>0;△H2<0
B.反应①、反应②都是丙烯加氢,所以△H1=△H2
C.相同条件下反应②的转化率大于反应①的转化率
D.从平衡常数推测,相同条件下反应②的反应速率很大,反应①的反应速率很小
(2)2-丁烯的顺、反异构转换过程的△H=_______(用△H1、△H2表示)
(g) (g) △H
(3)在一定温度下,将等物质的量的反式2-丁烯和H2充入2L密闭容器中,发生反应②,容器内各物质浓度如图所示:
①前10分钟,平均反应速率v(H2)为______mol·L-1·min-1
②该温度下,此反应平衡常数K=_______(平衡常数不用写单位)
(4)已知表示H2和CH3CH2CH3标准燃烧热的热化学方程式为:
①H2(g)+O2(g)H2O(l) △H=-285.8kJ•mol-1
②CH3CH2CH3(g)+5O2(g)3CO2(g)+4H2O(l) △H=-2215kJ•mol-1
丁烯加成反应的热化学方程式为:
③CH3CH=CH2(g)+H2(g) CH3CH2CH3(g) △H=-125.4kJ•mol-1
则表示CH3CH=CH2标准燃烧热的热化学方程式为__________________。
已知某温度下:
反应①:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),ΔH=" +41.2" kJ/mol;
反应②:(g)(g)+H2(g),ΔH=" +117.6" kJ/mol。
①、②的化学反应平衡常数分别为K1、K2。
(1)请写出二氧化碳氧化乙苯制备苯乙烯的热化学反应方程式 。该反应的化学平衡常数K= (用K1、K2表示)。
(2)恒温恒容条件下,反应①达到平衡后,t1时刻通入少量CO2。请画出t1之后的正逆反应曲线,并作出标注。
(3)一定条件下,某密闭容器中N2O4和NO2的混合气体达到平衡时,c(NO2)=0.50mol/L、c(N2O4)="0.125" mol/L,则2NO2(g)N2O4(g)的平衡常数K= (写出计算结果) ;若NO2起始浓度为2 mol/L,在相同条件下反应达到平衡时,NO2的转化率为 。
(4)在一定体积的密闭容器中,进行如下化学反应:
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数K和温度T的关系如下表:
T/℃ |
700 |
800 |
830 |
1 000 |
1 200 |
K |
0.6 |
0.9 |
1.0 |
1.7 |
2.6 |
回答下列问题:
①该反应为________反应(填“吸热”、“放热”)。
②能使该反应的反应速率增大,且平衡向正反应方向移动的是 。
A.及时分离出CO气体 B.适当升高温度
C.增大CO2的浓度 D.选择高效催化剂
在一密闭容器中发生反应N2+3H22NH3,△H<0达到平衡后,只改变某一个条件时,反应速率与反应时间的关系如图所示:回答下列问题:
(1)处于平衡状态的时间段是 (填选项)。
A.t0~t1
B.t1~t2
C.t2~t3
D.t3~t4
E.t4~t5
F.t5~t6
(2)t1、t3、t4时刻分别改变的一个条件是_____(填选项)。
A.增大压强
B.减小压强
C.升高温度
D.降低温度
E.加催化剂
F.充入氮气
t1时刻 ;t3时刻 ;t4时刻 。
(3)依据(2)中的结论,下列时间段中,氨的百分含量最高的是 (填选项)。
A.t0~t1 B.t2~t3 C.t3~t4 D.t5~t6
(4)如果在t6时刻,从反应体系中分离出部分氨,t7时刻反应达到平衡状态,请在图中画出反应速率的变化曲线。
(5)一定条件下,合成氨反应达到平衡时,测得混合气体中氨气的体积分数为20%,则反应后与反应前的混合气体体积之比为 。
工业上可利用“甲烷蒸气转化法生产氢气”,反应为:
CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
已知温度、压强和水碳比[n(H2O)/n(CH4)]对甲烷平衡含量(%)的影响如下图1:
图1 (水碳比为3) 图2 (800℃)
(1)CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)。的H 0(填“>”或“<”);若在恒温、恒压时,向该平衡体系中通入氦气平衡将 移动(填“向正应方向”、“向逆反应方向”或“不”)。
(2)温度对该反应的反应速率和平衡移动的影响是 。
(3)其他条件不变,请在图2中画出压强为2MPa时,甲烷平衡含量(%)与水碳比之间关系曲线。(只要求画出大致的变化曲线)
(4)已知:在700℃,1MPa时,1mol CH4与1mol H2O在2L的密闭容器中反应,6分钟达到平衡,此时CH4的转化率为80%,求这6分钟H2的平均反应速率和该温度下反应的平衡常数是多少?(写出计算过程,结果保留小数点后一位数字。)
(15分)乙苯催化脱氢制苯乙烯反应:
(1)已知:
化学键 |
C-H |
C-C |
C=C |
H-H |
键能/kJ·molˉ1 |
412 |
348 |
612 |
436 |
计算上述反应的△H=________ kJ·mol-1。
(2)维持体系总压强p恒定,在温度T时,物质的量为n、体积为V的乙苯蒸汽发生催化脱氢反应。已知乙苯的平衡转化率为α,则在该温度下反应的平衡常数K=____________(用α等符号表示)。
(3)工业上,通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1︰9),控制反应温度600℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应。在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下:
①掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实___________。
②控制反应温度为600℃的理由是____________。
(4)某研究机构用CO2代替水蒸气开发了绿色化学合成工艺——乙苯-二氧化碳耦合催化脱氢制苯乙烯。保持常压和原料气比例不变,与掺水蒸汽工艺相比,在相同的生产效率下,可降低操作温度;该工艺中还能够发生反应:CO2+H2=CO+H2O,CO2+C=2CO。新工艺的特点有_________(填编号)。
①CO2与H2反应,使乙苯脱氢反应的化学平衡右移
②不用高温水蒸气,可降低能量消耗
③有利于减少积炭
④有利于CO2资源利用
近年来大气问题受到人们越来越多的关注。按要求回答下列问题:
Ⅰ.实现反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),△H0,对减少温室气体排放和减缓燃料危机具有重要意义。在2L密闭容器中,通入5mol CH4与5mol CO2的混合气体,一定条件下发生上述反应,测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如图。
则p1、p2、p3、p4由大到小的顺序 ,该反应的正反应是______(填“吸热”或“放热”)反应,当1000℃甲烷的转化率为80%时,该反应的平衡常数K=________。
Ⅱ.PM2.5污染与直接排放化石燃烧产生的烟气有关,化石燃料燃烧同时放出大量的SO2和NOx。
(1) 处理NOx的一种方法是利用甲烷催化还原NOx。
CH4(g) + 4NO2(g) =" 4NO(g)" + CO2(g) + 2H2O(g) △H1=-574kJ·mol-1
CH4(g) + 4NO(g) = 2N2(g) + CO2(g) + 2H2O(g) △H2=-1160kJ·mol-1
CH4(g) + 2NO2 (g) = N2(g) + CO2(g) + 2H2O(g) △H3
则△H3= ,如果三个反应的平衡常数依次为K1、K2、K3,则K3=______(用K1、K2表示)
(2)实验室可用NaOH溶液吸收SO2,某小组同学在室温下,用pH传感器测定向20mL0.1mol·L-1NaOH溶液通入SO2过程中的pH变化曲线如图所示。
①ab段发生反应的离子方程式为________________。
②已知d点时溶液中溶质为NaHSO3,此时溶液中离子浓度由大到小的顺序为_______,如果NaHSO3的水解平衡常数Kh=1×10-12mol·L-1,则该温度下H2SO3的第一步电离平衡常数Ka=_________________。
、碳和氮的化合物与人类生产、生活密切相关。
(1)在一恒温、恒容密闭容器中发生反应:Ni (s)+4CO(g)Ni(CO)4(g),ΔH<0。利用该反应可以将粗镍转化为纯度达99.9%的高纯镍。下列说法正确的是 (填字母编号)。
A.增加Ni的量可提高CO的转化率,Ni的转化率降低 |
B.缩小容器容积,平衡右移,ΔH减小 |
C.反应达到平衡后,充入CO再次达到平衡时, CO的体积分数降低 |
D.当4v正[Ni(CO)4]= v正(CO)时或容器中混合气体密度不变时,都可说明反应已达化学平衡状态 |
(2)CO与镍反应会造成含镍催化剂的中毒。为防止镍催化剂中毒,工业上常用SO2将CO氧化,二氧化硫转化为单质硫。
已知:CO (g)+1/2O2(g)=CO2(g) ΔH=-Q1 kJ·mol-1
S(s)+O2(g)=SO2(g) ΔH=-Q2 kJ·mol-1
则SO2(g)+2CO (g)=S(s)+2CO2(g) ΔH= 。
(3)对于反应:2NO(g)+O22NO2(g),向某容器中充入10mol的NO和10mol的O2,在其他条件相同时,分别测得NO的平衡转化率在不同压强(P1、P2)下随温度变化的曲线(如图)。
①比较P1、P2的大小关系:________________。
②700℃时,在压强为P2时,假设容器为1L,则在该条件平衡常数的数值为______(最简分数形式)
(4)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池,其原理如图所示。该电池在使用过程中石墨I电极上生成氧化物Y,其电极反应式为 。若该燃料电池使用一段时间后,共收集到20mol Y,则理论上需要消耗标准状况下氧气的体积为 L。
化学反应原理在合成氨工业及氨的性质研究中具有广泛的应用。
(1)工业生产硝酸的第一步反应是氨的催化氧化反应,已知下列3 个热化学方程式(K 为平衡常数):
(2)工业合成氨所用的氢气主要来自天然气与水的反应,但这种原料气中往往混有一氧化碳杂质,工业生产中通过如下反应来除去原料气中的CO:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+ H2(g)ΔH<0。
①一定条件下,反应达到平衡后,欲提高CO 的转化率,可采取的措施有 、 。
②在容积为2 L 的密闭容器中发生上述反应,其中c(CO)随反应时间(t)的变化如图甲中曲线Ⅰ,如果在t0时刻将容器容积扩大至4 L,请在图甲中画出t0时刻后c(CO)随反应时间(t)的变化曲线。
(3)氨气的重要用途是合成尿素,一定条件下,NH3和CO2 合成尿素的反应为。当加料比例n(NH3)/n(CO2)="4" 时,CO2的转化率随反应时间(t)的变化如图乙所示,a 点v 逆(CO2) b 点v 正(CO2)(填“>”、“<”或“=”),NH3的平衡转化率为 。
(4)硫酸工业生产过程中产生的尾气可用氨水吸收,生成的(NH4)2SO3再与硫酸反应,将生成的SO2返回车间作生产硫酸的原料,而生成的(NH4)2SO4可作肥料。常温下,0.1mol·L-1(NH4)2SO4溶液中各离子浓度由大到小的顺序是 ;
若某工厂中使用的是室温下0.1 mol·L-1的氨水,那么该氨水的pH= 。
(已知
甲醇是重要的化工原料,在工业生产上的应用十分广泛。
(1)利用太阳能或生物质能分解水制H2,然后可将H2与CO2转化为甲醇。
已知:光催化制氢:2H2O(l)==2H2(g)+O2(g) ΔH=+571.5 kJ/mol
H2与CO2耦合反应:3H2(g)+CO2(g)==CH3OH(l)+H2O(l) ΔH=-137.8 kJ/mol
则反应:2H2O(l)+CO2(g) ="=" CH3OH(l)+3/2O2(g)的ΔH= kJ/mol
你认为该方法需要解决的技术问题有 。
a. 开发高效光催化剂
b. 将光催化制取的H2从反应体系中有效分离,并与CO2耦合催化转化
c. 二氧化碳及水资源的来源供应
(2)工业上由甲醇制取甲醛的两种方法如下(有关数据均为在298 K时测定):
反应I:CH3OH(g)=HCHO(g)+H2(g) ΔH1=+92.09kJ/mol,K1=3.92×10-11。
反应II:CH3OH(g)+1/2O2(g)=HCHO(g)+H2O(g) ΔH2=-149.73 kJ/mol,K2=4.35×1029。
①从原子利用率看,反应(填“I”或“II”。下同)制甲醛的原子利用率更高 。从反应的焓变和平衡常数K值看,反应 制甲醛更有利。(原子利用率表示目标产物的质量与生成物总质量之比。)
②右图是甲醇制甲醛有关反应的lgK(平衡常数的对数值)随温度T的变化。图中曲线(1)表示 (填“I”或“II”)的反应 。
(3)污水中的含氮化合物,通常先用生物膜脱氮工艺进行处理,在硝化细菌的作用下将NH4+氧化为
NO3-(2NH4++3O2=2HNO2+2H2O +2H+;2HNO2 +O2=2HNO3)。然后加入甲醇,甲醇和NO3-反应转化为两种无毒气体。
①上述方法中,1 g铵态氮元素转化为硝态氮元素时需氧的质量为 g。
②写出加入甲醇后反应的离子方程式:
(4)某溶液中发生反应:A2B+C,A的反应速率v(A)与时间t的图象如图所示。若溶液的体积为2L,且起始时只加入A物质,下列说法错误的是
A.图中阴影部分的面积表示0~2min内A的物质的量浓度的减小值
B.反应开始的前2min,A的平均反应速率小于0.375mol・L-1・min-1
C.至2min时,A的物质的量减小值介于0.5mol至1mol之间
D.至2min时,B的物质的量浓度c(B)介于1~1.5mol・L-1之间
试题篮
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